eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #4/2019
Г. И. Долгих, C. С. Будрин, В. А. Швец, С. В. Яковенко
Автономный лазерный измеритель колебаний давления
Автономный лазерный измеритель колебаний давления
Просмотры: 2697
Описан автономный лазерный измеритель колебаний давления для использования под водой. Применение методов оптических измерений, основанных на интерференционных методах, оптимизация конструкции прибора на основе имеющегося опыта проектирования, позволили разработать и создать компактное устройство, имеющее высокую точность измерения флуктуаций давления в широком диапазоне частот. Прибор может быть использован вдали от береговой черты, поскольку предусмотрена возможность его автономной работы, для чего был разработан подключаемый к прибору контейнер, снабженный элементами питания, системой сбора и накопления информации. Наличие датчиков снаружи и внутри измерителя позволяет проводить коррекцию записи вариаций давления в зависимости от изменения температуры интерферометра и забортной воды, а дополнительный интерфейс электрического питания и порт данных позволяет подключать внешние устройства для расширения функционала прибора.
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.4.372.380
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.4.372.380
Теги: autonomous interferometer hydrosphere monitoring of hydrodynamic processes pressure fluctuation meter underwater measuring system автономный интерферометр гидросфера измеритель флуктуаций давления мониторинг гидродинамических процессов подводная измерительная система
Описан автономный лазерный измеритель колебаний давления для использования под водой. Прибор может быть использован вдали от береговой черты, поскольку предусмотрена возможность его автономной работы, для чего был разработан подключаемый к прибору контейнер, снабженный элементами питания, системой сбора и накопления информации. Наличие датчиков снаружи и внутри измерителя позволяет проводить коррекцию записи вариаций давления в зависимости от изменения температуры интерферометра и забортной воды, а дополнительный интерфейс электрического питания и порт данных позволяет подключать внешние устройства для расширения функционала прибора.
Статья поступила в редакцию 28.03.2019
Статья принята к публикации 15.04.2019
При изучении различных гидрофизических процессов, природы их возникновения и развития существенное значение имеют технические характеристики установок. Стремление увеличить чувствительность, расширить рабочий частотный диапазон привело к тому, что интерферометры, ранее не использовавшиеся в подводных приборах из-за громоздкости и сложной эксплуатации, появились в этой области измерительной техники. Современные достижения по созданию компактных моделей частотно-стабилизированных лазеров, электроники, трехмерного моделирования позволили создать приборы этого типа, не выходя за рамки допустимых эксплуатационных характеристик по весу, габаритам и разумным возможностям использования. В результате лазерно-интерференционный прибор для измерения вариаций давления получает широкие возможности по чувствительности, большому частотному диапазону, присущему интерферометру, включенному в его конструкцию. Опыт создания приборов на основе лазерно-интерференционных методов получен нами ранее при работе над различными измерителями физических параметров геосфер [1–3]. Эти устройства измеряют в инфразвуковом и звуковом диапазонах с высокой точностью на уровне фоновых шумов. Это такие устройства, как лазерные деформографы, лазерные нанобарографы, лазерные измерители вариаций давления гидросферы, разработанные соответственно для измерения микросмещений верхнего слоя земной коры, вариаций атмосферного и подводного давления. При использовании этих приборов были получены новые данные о взаимодействии геосфер. Например, было установлено, что цуги волн давления в водной среде с периодами, лежащими в диапазоне 7–13 мин, вызваны подобными же цугами волн в атмосферном давлении, а не короткопериодными внутренними морскими волнами [4]. Комплексное использование этих устройств позволяет охватить большой спектр научных задач, связанных с изучением процессов взаимодействия геосфер. Для этого приборы объединяются в измерительные полигоны [5], с тем чтобы проводить совместный мониторинг параметров геосфер.
Применение лазерно-интерференционных измерителей вариаций давления [6] в научных исследованиях позволило накопить большой опыт работы с такими устройствами. Были даже созданы модификации с использованием разных источников излучения и компоновки прибора [7]. Но также был выявлен ряд негативных особенностей в эксплуатации этих приборов. Среди них следует отметить: 1) большие геометрические размеры и массу, что приводит к неудобству эксплуатации и неустойчивости интерференционной картины, 2) влияние изменения забортной температуры на показания интерферометра, 3) невозможность автономной работы, 5) невозможность подключения внешнего оборудования.
В связи с указанными недостатками на основе конструкции лазерного измерителя вариаций давления гидросферы был создан новый прибор – автономный лазерный измеритель колебаний давления (АЛИКД), рис. 1.
Проверенный во многих приборах коллектива принцип действия, основанный на интерферометре Майкельсона, построенном по модифицированной схеме неравноплечего типа, использован и здесь. Оптико-механическая схема прибора и принцип его действия схематически показаны на рис. 2.
В качестве источника излучения используется газовый гелий-неоновый частотно-стабилизированный лазер MellesGriot, компактная модель.
Одно плечо интерферометра является эталонным. Луч, который распространяется по другому плечу, проходит через зеркало, установленное на мембране в крышке прибора. Внешняя сторона мембраны 3 соприкасается с водой, и этот луч является, таким образом, измерительным. Пространственное сведение попадающих на делительную пластину 6 обоих лучей (после их прохождения по своим оптическим путям) позволяет получить интерференционную картину переменной яркости, обусловленную изменением разности хода лучей. Изменение яркости регистрируется фотоприемником 2 системы регистрации 7, которая формирует управляющий сигнал на компенсацию разности хода лучей. Этот же сигнал является выходным, и он же подается на один из пьезокерамических элементов 5 для возврата интерференции на экстремум. На второй элемент подается пробный (или поисковый) сигнал, который представляет собой гармонические колебания, обеспечивающие правильную систему экстремального регулирования.
В приборе применяется система компенсации гидростатического давления. Она необходима для выравнивания давления по обе стороны от мембраны, чтобы привести ее перед измерениями в нейтральное положение. При погружении прибора по команде открывается электромагнитный клапан, который пропускает воздух из специальной резиновой емкости в камеру небольшого объема между мембраной и основным пространством корпуса, отделенную от него прозрачным гермоокном 9. По окончании погружения клапан закрывается до начала измерений. При подъеме прибора давление из компенсационной камеры стравливают обратно.
Оптическая скамья выполнена из нержавеющей стали, что в совокупности с расположенными по обеим сторонам ребрами усиления и стальными растяжками с верхней стороны позволяет получить большую жесткость конструкции. Источник излучения располагается под оптической скамьей, откуда луч через отверстие выводится с помощью перископической системы зеркал. Блоки питания прибора располагаются в отдельном объеме от оптико-механической части внутри корпуса прибора.
Среди дополнительного оборудования аппаратурной части следует упомянуть наличие измерителей температуры. На оптической скамье интерферометра и снаружи прибора (в тонкостенном щупе-стержне, расположенном в районе мембраны) установлены датчики температуры на основе цифрового термометра DS18B20. Измерение температуры внутри прибора необходимо, поскольку вариации температуры могут вносить существенную погрешность в показания неравноплечего интерферометра. Разрешающая способность датчика при использовании 12-битной платы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) составляет 0,0625 °C.
Для грубого измерения забортного давления (например, для определения глубины установки прибора) предусмотрена возможность установки датчика давления. Для этого в крышке прибора имеется гермо-штуцер для установки тензопреобразователя избыточного давления D0.4-T. Предельно измеряемое давление датчика равно 0,8 МПа, что соответствует глубине погружения ~80 м, разрешающая способность составляет 90 Па, т. е. 0,01% от диапазона измеряемого давления. При необходимости работы на глубине более 80 м предусмотрена возможность быстрой замены датчика давления. Для согласования датчика с измерительной и регистрирующей частями оборудования используется измерительный усилитель с переменным коэффициентом усиления в диапазоне 5–4 001.
На крышке прибора установлен герметичный разъем, предназначенный для дополнительного оборудования. Это универсальный интерфейс, на который выделено отдельное питание и линия передачи данных. В частности, измеритель может работать совместно с флуориметром ECO FL, предназначенным для определения биологических характеристик воды, в частности содержания хлорофилла-а. Этот датчик позволяет проводить измерения в диапазоне 0–125 мкг / л с разрешением 0,02 мкг / л. Могут также быть подключены датчики глубины, гидрофоны, модуль радиосвязи для телеметрии и отправки предварительных данных и прочие устройства.
В работе интерферометра используется система регистрации интерференционного измерителя вариаций давления [8] с некоторыми модификациями. Изменения коснулись улучшения характеристик цифро-аналогового преобразователя (ЦАП): теперь установлена модель 14 бит. В системе регистрации используется принцип удержания интерференции на уровне максимальной яркости. Это обеспечивается рабочим органом системы регистрации – компенсирующей пьезокерамикой, которая перемещает свой незакрепленный конец с установленным на нем зеркалом, с постоянной скоростью, удерживая интерференцию на экстремуме. Для определения направления смещения от положения экстремума вторая пьезокерамика вводит в оптический сигнал искусственное гармоническое возмущение с частотой 100 кГц – сигнал раскачки, являющийся пробным или поисковым. Для рассматриваемой системы с постоянной скоростью перемещения рабочего органа обратной связи (компенсирующей пьезокерамики) связь между максимальной скоростью ν перемещения рабочего органа системы регистрации, частотой f пробного (поискового) сигнала, длиной волны λ излучения лазера и разрядностью N ЦАП, можно описать выражением:
. (1)
Из (1) следует, что с повышением разрядности необходимо повышать и частоту поискового сигнала. В разработанном приборе частота поискового сигнала составляет 100 кГц, что в четыре раза выше, чем в ранее созданных системах. При условии, что динамический диапазон усилителя, управляющего рабочим органом системы регистрации, не уже, чем у ЦАП, максимальная точность измерения перемещений мембраны измерителей давления составляет 0,75 λ / (2N – 1) или 0,06 нм.
Давление, которое регистрирует измеритель вариаций давления гидросферы, оборудованный описанной регистрирующей системой, можно рассчитать по формуле, описывающей поведение закрепленной по краям плоской мембраны [9]:
. (2)
Здесь Δl – смещение мембраны; h – толщина мембраны; E – модуль Юнга; σ – коэффициент Пуассона; R – радиус мембраны. В измерителе могут быть использованы мембраны, изготовленные из листа нержавеющей стали толщиной 0,1; 0,5; 1; 2 мм. В испытаниях использована мембрана толщиной 1 мм. Подставляя в (2) следующие значения: R = 5 см, h = 1 мм, E = 2,1 ∙ 1011 Н / м2, σ = 0,25 и Δl = 0,06 нм, получим, что разрешение измерителя по давлению составляет P = 11,5 мПа. При этом, с точки зрения частотных характеристик, система способна регистрировать вариации давления в диапазоне частот от самых низких (близких к нулевым) до 1 000 Гц.
Передача показаний прибора на береговую станцию по кабельной линии удобна лишь при небольших дистанциях от берега, подготовленной инфраструктуре, береговой черте без крутых склонов со свободным доступом к этой черте. Все это сильно усложняет установку и эксплуатацию системы, а проведение измерений на дистанциях более 500 м от берега так и вовсе становится на практике тяжело выполнимой задачей. Поэтому обеспечение возможности автономной работы лазерно-интерференционного комплекса – необходимость. Однако, как показал практический опыт, переход на полностью автономную работу с размещением в корпусе прибора средств регистрации и источников питания оказался нецелесообразным. Ухудшать достигнутые характеристики веса и размера прибора означает усложнение эксплуатации, необходимость в использовании более крупных плавсредств и подъемных механизмов. Кроме того, при проведении измерений вблизи береговой черты, использование кабельной линии вполне оправданно отсутствием ограничений по энергопотреблению, продолжительностью времени работы, возможностью мгновенного получения любого объема информации, регистрируемой датчиками, упрощением телеметрии. Чтобы одновременно сохранить указанные преимущества и обеспечить возможность работы как с использованием кабельной линии, так и без нее был разработан контейнер автономизации (рис. 3).
В состав контейнера входят батареи питания (литий-ионная батарея электрического питания 4S мощностью 7 965 Вт · ч), блоки согласования и стабилизации параметров электрических цепей, а также микрокомпьютер с твердотельным накопителем для записи информации, поступающей из прибора. Контейнер подключается к герморазъему прибора, который обычно используется для берегового кабеля. Время автономной работы прибора составляет более 6 суток, что с учетом значительности потребления энергии газовым лазером, системы регистрации, измерителями давления и температуры и системами связи, работающими на высоких частотах, является очень хорошим показателем. Были проведены успешные испытания автономной работы в течение 145 ч. На рис. 4 приведен участок записи, демонстрирующий колебания давления при ветровом волнении. По оси ординат – напряжение на выходе системы регистрации, пропорциональное измеряемому давлению. Коэффициент пересчета 0,25 В / Па. По оси абсцисс – время. Глубина установки прибора 12 м.
Установленные в приборе цифровые датчики температуры позволяют проводить корректировку показаний интерферометра с учетом вариаций температуры. Это важно, поскольку изменение температуры внутри прибора приводит к изменению длины эталонного плеча вследствие теплового расширения деталей интерферометра. Внешний датчик дает информацию о поле температуры снаружи прибора. В данной модели прибора требуется корректировка выходного сигнала системы регистрации интерферометра на –3,305 В на каждый шаг измерения термодатчика, т. е. на 0,0625 °C. Значение напряжения было подобрано эмпирическим путем при проведении тестов. Функция коррекции показаний интерферометра была включена в программное обеспечение обработки измерений.
Испытания разработанного АЛИКД прошли успешно, и прибор может быть использован для научных исследований. Использование данного оборудования позволяет решать задачи по изучению амплитудно-фазовых вариаций колебаний давления, температуры и других параметров в гидросфере в широком частотном диапазоне.
Финансирование
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грант РФФИ № 18–05–80011_Опасные явления.
Список литературы
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Овчаренко В. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Лазерный деформограф с точностью на уровне пикометров. Приборы и техника эксперимента. 2013; 2: 138–139.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Ovcharenko V. V., Chupin V. A., Shvets V. A., Yakovenko S. V. Laser deformograph with accuracy at the level of picometers. Instruments and experimental technique. 2013; 2: 138–139.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Корень И. А., Новикова О. В., Овчаренко В. В., Окунцева О. П., Швец В. А., Чупин В. А., Яковенко С. В. Лазерный нанобарограф и его применение при изучении баро-деформационного взаимодействия. Физика Земли. 2004; 8: 82.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Koren I. A., Novikova O. V., Ovcharenko V. V., Okunceva O. P., Shvets V. A., Chupin V. A., Yakovenko S. V. Laser nanobarograph and its application in the study of baro-deformation interaction. Physics of the Earth. 2004; 8: 82.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Швец В. А., Чупин В. А., Яковенко С. В. Лазерный измеритель вариаций давления гидросферы. Приборы и техника эксперимента. 2005; № 6: 56137.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Shvets V. A., Chupin V. A., Yakovenko S. V. Laser meter of pressure variations in the hydrosphere. PTE. 2005.; 6: 56137.
Долгих Г. И., Будрин С. С., Долгих С. Г., Овчаренко В. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Морские внутренние волны и атмосферные депрессии. Доклады Академии наук. 2015; 462(5): 601.
Dolgikh G. I., Budrin S. S., Dolgikh S. G., Ovcharenko V. V., Chupin V. A., Shvets V. A., Yakovenko S. V. Sea internal waves and atmospheric depressions. Reports of the Academy of Sciences. 2015; 462 (5): 601.
Долгих Г. И., Будрин С. С., Долгих С. Г., Закурко А. Г., Косарев О. В., Овчаренко В. В., Плотников А. А., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Комплексный пространственно-разнесенный полигон на Дальнем Востоке для геонаблюдений. Измерительная техника. 2016; 3: 34–36.
Dolgikh G. I., Budrin S. S., Dolgikh S. G., Zakurko A. G., Kosarev O. V., Ovcharenko V. V., Plotnikov A. A., Chupin V. A., Shvets V. A., Yakovenko S. V. Complex spatially separated polygon in the Far East for geo-observations. Measuring equipment. 2016; 3: 34–36.
Долгих Г. И., Будрин С. С., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Плотников А. А., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Лазерно-интерференционные системы измерения распределения гидростатического давления. Подводные исследования и робототехника. 2011; 1(11): 49–58.
Dolgikh G. I., Budrin S. S., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Plotnikov A. A., Chupin V. A., Shvets V. A., Yakovenko S. V. Laser-interference systems for measuring the distribution of hydrostatic pressure. Underwater research and robotics. 2011; 1 (11): 49–58.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Чупин В. А., Яковенко С. В. Лазерный гидрофон на основе зеленого лазера LCM-S111. Приборы и техника эксперимента. 2013; 5: 140–141.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Chupin V. A., Yakovenko S. V. Laser hydrophone based on a green laser LCM-S111. Instruments and experimental technique. 2013; (5): 140–141.
Долгих Г. И., Ковалев С. Н., Швец В. А., Яковенко С. В. Цифровая система регистрации лазерно-интерференционных установок. Приборы и техника эксперимента. 2008; 5: 158–159.
Dolgikh G. I., Kovalev S. N., Shvets V. A., Yakovenko S. V. Digital registration system of laser-interference installations. Instruments and experimental technique. 2008; 5: 158–159.
Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. VII. Теория упругости. М.: Наука. 1987.
Landau L. D., Lifshits E. M. Theoretical physics. T. VII. Theory of elasticity. M.: Science. 1987.
Статья поступила в редакцию 28.03.2019
Статья принята к публикации 15.04.2019
При изучении различных гидрофизических процессов, природы их возникновения и развития существенное значение имеют технические характеристики установок. Стремление увеличить чувствительность, расширить рабочий частотный диапазон привело к тому, что интерферометры, ранее не использовавшиеся в подводных приборах из-за громоздкости и сложной эксплуатации, появились в этой области измерительной техники. Современные достижения по созданию компактных моделей частотно-стабилизированных лазеров, электроники, трехмерного моделирования позволили создать приборы этого типа, не выходя за рамки допустимых эксплуатационных характеристик по весу, габаритам и разумным возможностям использования. В результате лазерно-интерференционный прибор для измерения вариаций давления получает широкие возможности по чувствительности, большому частотному диапазону, присущему интерферометру, включенному в его конструкцию. Опыт создания приборов на основе лазерно-интерференционных методов получен нами ранее при работе над различными измерителями физических параметров геосфер [1–3]. Эти устройства измеряют в инфразвуковом и звуковом диапазонах с высокой точностью на уровне фоновых шумов. Это такие устройства, как лазерные деформографы, лазерные нанобарографы, лазерные измерители вариаций давления гидросферы, разработанные соответственно для измерения микросмещений верхнего слоя земной коры, вариаций атмосферного и подводного давления. При использовании этих приборов были получены новые данные о взаимодействии геосфер. Например, было установлено, что цуги волн давления в водной среде с периодами, лежащими в диапазоне 7–13 мин, вызваны подобными же цугами волн в атмосферном давлении, а не короткопериодными внутренними морскими волнами [4]. Комплексное использование этих устройств позволяет охватить большой спектр научных задач, связанных с изучением процессов взаимодействия геосфер. Для этого приборы объединяются в измерительные полигоны [5], с тем чтобы проводить совместный мониторинг параметров геосфер.
Применение лазерно-интерференционных измерителей вариаций давления [6] в научных исследованиях позволило накопить большой опыт работы с такими устройствами. Были даже созданы модификации с использованием разных источников излучения и компоновки прибора [7]. Но также был выявлен ряд негативных особенностей в эксплуатации этих приборов. Среди них следует отметить: 1) большие геометрические размеры и массу, что приводит к неудобству эксплуатации и неустойчивости интерференционной картины, 2) влияние изменения забортной температуры на показания интерферометра, 3) невозможность автономной работы, 5) невозможность подключения внешнего оборудования.
В связи с указанными недостатками на основе конструкции лазерного измерителя вариаций давления гидросферы был создан новый прибор – автономный лазерный измеритель колебаний давления (АЛИКД), рис. 1.
Проверенный во многих приборах коллектива принцип действия, основанный на интерферометре Майкельсона, построенном по модифицированной схеме неравноплечего типа, использован и здесь. Оптико-механическая схема прибора и принцип его действия схематически показаны на рис. 2.
В качестве источника излучения используется газовый гелий-неоновый частотно-стабилизированный лазер MellesGriot, компактная модель.
Одно плечо интерферометра является эталонным. Луч, который распространяется по другому плечу, проходит через зеркало, установленное на мембране в крышке прибора. Внешняя сторона мембраны 3 соприкасается с водой, и этот луч является, таким образом, измерительным. Пространственное сведение попадающих на делительную пластину 6 обоих лучей (после их прохождения по своим оптическим путям) позволяет получить интерференционную картину переменной яркости, обусловленную изменением разности хода лучей. Изменение яркости регистрируется фотоприемником 2 системы регистрации 7, которая формирует управляющий сигнал на компенсацию разности хода лучей. Этот же сигнал является выходным, и он же подается на один из пьезокерамических элементов 5 для возврата интерференции на экстремум. На второй элемент подается пробный (или поисковый) сигнал, который представляет собой гармонические колебания, обеспечивающие правильную систему экстремального регулирования.
В приборе применяется система компенсации гидростатического давления. Она необходима для выравнивания давления по обе стороны от мембраны, чтобы привести ее перед измерениями в нейтральное положение. При погружении прибора по команде открывается электромагнитный клапан, который пропускает воздух из специальной резиновой емкости в камеру небольшого объема между мембраной и основным пространством корпуса, отделенную от него прозрачным гермоокном 9. По окончании погружения клапан закрывается до начала измерений. При подъеме прибора давление из компенсационной камеры стравливают обратно.
Оптическая скамья выполнена из нержавеющей стали, что в совокупности с расположенными по обеим сторонам ребрами усиления и стальными растяжками с верхней стороны позволяет получить большую жесткость конструкции. Источник излучения располагается под оптической скамьей, откуда луч через отверстие выводится с помощью перископической системы зеркал. Блоки питания прибора располагаются в отдельном объеме от оптико-механической части внутри корпуса прибора.
Среди дополнительного оборудования аппаратурной части следует упомянуть наличие измерителей температуры. На оптической скамье интерферометра и снаружи прибора (в тонкостенном щупе-стержне, расположенном в районе мембраны) установлены датчики температуры на основе цифрового термометра DS18B20. Измерение температуры внутри прибора необходимо, поскольку вариации температуры могут вносить существенную погрешность в показания неравноплечего интерферометра. Разрешающая способность датчика при использовании 12-битной платы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) составляет 0,0625 °C.
Для грубого измерения забортного давления (например, для определения глубины установки прибора) предусмотрена возможность установки датчика давления. Для этого в крышке прибора имеется гермо-штуцер для установки тензопреобразователя избыточного давления D0.4-T. Предельно измеряемое давление датчика равно 0,8 МПа, что соответствует глубине погружения ~80 м, разрешающая способность составляет 90 Па, т. е. 0,01% от диапазона измеряемого давления. При необходимости работы на глубине более 80 м предусмотрена возможность быстрой замены датчика давления. Для согласования датчика с измерительной и регистрирующей частями оборудования используется измерительный усилитель с переменным коэффициентом усиления в диапазоне 5–4 001.
На крышке прибора установлен герметичный разъем, предназначенный для дополнительного оборудования. Это универсальный интерфейс, на который выделено отдельное питание и линия передачи данных. В частности, измеритель может работать совместно с флуориметром ECO FL, предназначенным для определения биологических характеристик воды, в частности содержания хлорофилла-а. Этот датчик позволяет проводить измерения в диапазоне 0–125 мкг / л с разрешением 0,02 мкг / л. Могут также быть подключены датчики глубины, гидрофоны, модуль радиосвязи для телеметрии и отправки предварительных данных и прочие устройства.
В работе интерферометра используется система регистрации интерференционного измерителя вариаций давления [8] с некоторыми модификациями. Изменения коснулись улучшения характеристик цифро-аналогового преобразователя (ЦАП): теперь установлена модель 14 бит. В системе регистрации используется принцип удержания интерференции на уровне максимальной яркости. Это обеспечивается рабочим органом системы регистрации – компенсирующей пьезокерамикой, которая перемещает свой незакрепленный конец с установленным на нем зеркалом, с постоянной скоростью, удерживая интерференцию на экстремуме. Для определения направления смещения от положения экстремума вторая пьезокерамика вводит в оптический сигнал искусственное гармоническое возмущение с частотой 100 кГц – сигнал раскачки, являющийся пробным или поисковым. Для рассматриваемой системы с постоянной скоростью перемещения рабочего органа обратной связи (компенсирующей пьезокерамики) связь между максимальной скоростью ν перемещения рабочего органа системы регистрации, частотой f пробного (поискового) сигнала, длиной волны λ излучения лазера и разрядностью N ЦАП, можно описать выражением:
. (1)
Из (1) следует, что с повышением разрядности необходимо повышать и частоту поискового сигнала. В разработанном приборе частота поискового сигнала составляет 100 кГц, что в четыре раза выше, чем в ранее созданных системах. При условии, что динамический диапазон усилителя, управляющего рабочим органом системы регистрации, не уже, чем у ЦАП, максимальная точность измерения перемещений мембраны измерителей давления составляет 0,75 λ / (2N – 1) или 0,06 нм.
Давление, которое регистрирует измеритель вариаций давления гидросферы, оборудованный описанной регистрирующей системой, можно рассчитать по формуле, описывающей поведение закрепленной по краям плоской мембраны [9]:
. (2)
Здесь Δl – смещение мембраны; h – толщина мембраны; E – модуль Юнга; σ – коэффициент Пуассона; R – радиус мембраны. В измерителе могут быть использованы мембраны, изготовленные из листа нержавеющей стали толщиной 0,1; 0,5; 1; 2 мм. В испытаниях использована мембрана толщиной 1 мм. Подставляя в (2) следующие значения: R = 5 см, h = 1 мм, E = 2,1 ∙ 1011 Н / м2, σ = 0,25 и Δl = 0,06 нм, получим, что разрешение измерителя по давлению составляет P = 11,5 мПа. При этом, с точки зрения частотных характеристик, система способна регистрировать вариации давления в диапазоне частот от самых низких (близких к нулевым) до 1 000 Гц.
Передача показаний прибора на береговую станцию по кабельной линии удобна лишь при небольших дистанциях от берега, подготовленной инфраструктуре, береговой черте без крутых склонов со свободным доступом к этой черте. Все это сильно усложняет установку и эксплуатацию системы, а проведение измерений на дистанциях более 500 м от берега так и вовсе становится на практике тяжело выполнимой задачей. Поэтому обеспечение возможности автономной работы лазерно-интерференционного комплекса – необходимость. Однако, как показал практический опыт, переход на полностью автономную работу с размещением в корпусе прибора средств регистрации и источников питания оказался нецелесообразным. Ухудшать достигнутые характеристики веса и размера прибора означает усложнение эксплуатации, необходимость в использовании более крупных плавсредств и подъемных механизмов. Кроме того, при проведении измерений вблизи береговой черты, использование кабельной линии вполне оправданно отсутствием ограничений по энергопотреблению, продолжительностью времени работы, возможностью мгновенного получения любого объема информации, регистрируемой датчиками, упрощением телеметрии. Чтобы одновременно сохранить указанные преимущества и обеспечить возможность работы как с использованием кабельной линии, так и без нее был разработан контейнер автономизации (рис. 3).
В состав контейнера входят батареи питания (литий-ионная батарея электрического питания 4S мощностью 7 965 Вт · ч), блоки согласования и стабилизации параметров электрических цепей, а также микрокомпьютер с твердотельным накопителем для записи информации, поступающей из прибора. Контейнер подключается к герморазъему прибора, который обычно используется для берегового кабеля. Время автономной работы прибора составляет более 6 суток, что с учетом значительности потребления энергии газовым лазером, системы регистрации, измерителями давления и температуры и системами связи, работающими на высоких частотах, является очень хорошим показателем. Были проведены успешные испытания автономной работы в течение 145 ч. На рис. 4 приведен участок записи, демонстрирующий колебания давления при ветровом волнении. По оси ординат – напряжение на выходе системы регистрации, пропорциональное измеряемому давлению. Коэффициент пересчета 0,25 В / Па. По оси абсцисс – время. Глубина установки прибора 12 м.
Установленные в приборе цифровые датчики температуры позволяют проводить корректировку показаний интерферометра с учетом вариаций температуры. Это важно, поскольку изменение температуры внутри прибора приводит к изменению длины эталонного плеча вследствие теплового расширения деталей интерферометра. Внешний датчик дает информацию о поле температуры снаружи прибора. В данной модели прибора требуется корректировка выходного сигнала системы регистрации интерферометра на –3,305 В на каждый шаг измерения термодатчика, т. е. на 0,0625 °C. Значение напряжения было подобрано эмпирическим путем при проведении тестов. Функция коррекции показаний интерферометра была включена в программное обеспечение обработки измерений.
Испытания разработанного АЛИКД прошли успешно, и прибор может быть использован для научных исследований. Использование данного оборудования позволяет решать задачи по изучению амплитудно-фазовых вариаций колебаний давления, температуры и других параметров в гидросфере в широком частотном диапазоне.
Финансирование
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грант РФФИ № 18–05–80011_Опасные явления.
Список литературы
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Овчаренко В. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Лазерный деформограф с точностью на уровне пикометров. Приборы и техника эксперимента. 2013; 2: 138–139.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Ovcharenko V. V., Chupin V. A., Shvets V. A., Yakovenko S. V. Laser deformograph with accuracy at the level of picometers. Instruments and experimental technique. 2013; 2: 138–139.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Корень И. А., Новикова О. В., Овчаренко В. В., Окунцева О. П., Швец В. А., Чупин В. А., Яковенко С. В. Лазерный нанобарограф и его применение при изучении баро-деформационного взаимодействия. Физика Земли. 2004; 8: 82.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Koren I. A., Novikova O. V., Ovcharenko V. V., Okunceva O. P., Shvets V. A., Chupin V. A., Yakovenko S. V. Laser nanobarograph and its application in the study of baro-deformation interaction. Physics of the Earth. 2004; 8: 82.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Швец В. А., Чупин В. А., Яковенко С. В. Лазерный измеритель вариаций давления гидросферы. Приборы и техника эксперимента. 2005; № 6: 56137.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Shvets V. A., Chupin V. A., Yakovenko S. V. Laser meter of pressure variations in the hydrosphere. PTE. 2005.; 6: 56137.
Долгих Г. И., Будрин С. С., Долгих С. Г., Овчаренко В. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Морские внутренние волны и атмосферные депрессии. Доклады Академии наук. 2015; 462(5): 601.
Dolgikh G. I., Budrin S. S., Dolgikh S. G., Ovcharenko V. V., Chupin V. A., Shvets V. A., Yakovenko S. V. Sea internal waves and atmospheric depressions. Reports of the Academy of Sciences. 2015; 462 (5): 601.
Долгих Г. И., Будрин С. С., Долгих С. Г., Закурко А. Г., Косарев О. В., Овчаренко В. В., Плотников А. А., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Комплексный пространственно-разнесенный полигон на Дальнем Востоке для геонаблюдений. Измерительная техника. 2016; 3: 34–36.
Dolgikh G. I., Budrin S. S., Dolgikh S. G., Zakurko A. G., Kosarev O. V., Ovcharenko V. V., Plotnikov A. A., Chupin V. A., Shvets V. A., Yakovenko S. V. Complex spatially separated polygon in the Far East for geo-observations. Measuring equipment. 2016; 3: 34–36.
Долгих Г. И., Будрин С. С., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Плотников А. А., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Лазерно-интерференционные системы измерения распределения гидростатического давления. Подводные исследования и робототехника. 2011; 1(11): 49–58.
Dolgikh G. I., Budrin S. S., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Plotnikov A. A., Chupin V. A., Shvets V. A., Yakovenko S. V. Laser-interference systems for measuring the distribution of hydrostatic pressure. Underwater research and robotics. 2011; 1 (11): 49–58.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Чупин В. А., Яковенко С. В. Лазерный гидрофон на основе зеленого лазера LCM-S111. Приборы и техника эксперимента. 2013; 5: 140–141.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Chupin V. A., Yakovenko S. V. Laser hydrophone based on a green laser LCM-S111. Instruments and experimental technique. 2013; (5): 140–141.
Долгих Г. И., Ковалев С. Н., Швец В. А., Яковенко С. В. Цифровая система регистрации лазерно-интерференционных установок. Приборы и техника эксперимента. 2008; 5: 158–159.
Dolgikh G. I., Kovalev S. N., Shvets V. A., Yakovenko S. V. Digital registration system of laser-interference installations. Instruments and experimental technique. 2008; 5: 158–159.
Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. VII. Теория упругости. М.: Наука. 1987.
Landau L. D., Lifshits E. M. Theoretical physics. T. VII. Theory of elasticity. M.: Science. 1987.
Отзывы читателей
